基于低功耗廣域傳感器網絡的變電站關鍵設備溫度在線監測系統研究

楊博 金佳奔 張煦 顧曉峰

摘要：變電站作為電力系統的重要組成部分，其關鍵設備的溫度關系著系統是否正常運行，一般情況下采用人工巡檢測量的方法監測溫度，費時費力，而且有些內部設備不能進行測量。現通過研究低功耗廣域網通信技術在變電站關鍵設備溫度監測、管理、運行、維護等方面的應用，提出了一種基于低功耗廣域傳感器網絡的變電站關鍵設備溫度監測系統，其目的是實現變電站內高壓進線、變壓器、高壓斷路器柜、隔離開關、電纜搭頭和電容器室等設備的在線溫度監測、報警等功能。

關鍵詞：低功耗廣域通信;物聯網;變電站;溫度監測;智能化管理

0? ? 引言

物聯網是涉及多學科、知識高度集成的前沿熱點研究領域，其快速發展對無線通信技術提出了更高的要求，專為遠距離、低功耗、密集終端通信而設計的低功耗廣域網也快速興起[1]。本文在變電站高壓斷路器柜等關鍵設備溫度監測領域，采用低功耗廣域網通信技術進行溫度監測系統的構建，充分利用其覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗小等特點，提高電力測溫系統性能，并降低運維成本。

本系統采用低功耗廣域物聯網技術（LoRa）[2]對變電站的高壓進線、變壓器、高壓斷路器柜、隔離開關、電纜搭頭和電容器室等關鍵設備的溫度實現智能化管理，實現溫度信息的在線監測、實時顯示、預警報警等綜合智能化信息管理，更加智能、無漏警、無虛警地實現告警信號采集與處理，滿足智能變電站的設備運行管理要求。

目前電力無線測溫通常采用ZigBee通信技術[3]，其特點是通信距離短、功耗低，通過MESH多跳組網，實現終端數據到通信中繼或通信基站的數據傳輸。ZigBee通信技術采用2.4 GHz工作頻段，會對Wi-Fi信號產生干擾，目前電力系統在推廣專用Wi-Fi通信網絡，所以采用ZigBee技術的無線測溫設備會導致其與其他采用Wi-Fi網絡通信的電力設備產生通信干擾，不僅影響測溫數據的正常傳輸，還會影響到其他設備的正常通信[4]。

本系統首次將長距離、低功耗（LoRa）物聯網技術在智能變電溫度監測領域進行規模應用和實踐研究，通過研究長距離、低功耗傳感器網絡的結構、傳輸協議和路由算法，填補長距離、低功耗物聯網絡技術在智能變電監測領域大規模集成應用的空白，驗證其網絡傳輸可靠性和數據安全性。

1? ? 低功耗廣域無線測溫系統架構

本系統由無線溫度傳感器、傳感網絡通信基站、溫度管理平臺等組成，可以實時監測高壓設備工作溫度。系統測量的設備溫度數據可在溫度管理平臺進行綜合比較分析，如當前數據與歷史數據、當前設備溫度數據與環境溫度數據、同類設備相間溫度數據的實時比較。通過多數據的融合分析，可有效提高數據的準確性和可靠性。系統結構如圖1所示。

該系統中，無線溫度傳感器采用低功耗MCU控制和處理技術，抗干擾能力強。設備天線采用特殊定制的平板天線，避免了普通鞭狀天線在高壓環境下容易尖端放電的缺陷，適宜在高壓環境下運行;傳感網絡通信基站，負責自動接收無線溫度傳感器所發送的溫度數據，并可通過以太網/3G/4G上傳到監測管理中心。基站收到溫度管理平臺的召喚數據指令后，可上傳監測點溫度數據。通信基站采用單跳星型網絡與溫度傳感器通信，實現對傳感器的溫度數據采集和命令發布。單基站的傳感器管理容量大（可管理上萬個無線傳感器）[5-6]，系統擴展性強。溫度管理平臺具有在線采集并分析現場溫度的功能，保障了電力設備穩定運行。

2? ? 系統技術特點

系統中的無線測溫終端與通信基站采用星型網絡結構，終端與基站間采用低功耗廣域通信技術，該技術以低功耗和長距離通信為特點，實現終端大容量、廣域無線通信覆蓋。本文主要介紹無線測溫傳感器的低功耗技術、低功耗廣域網絡的抗干擾技術以及系統的無線通信安全技術。

2.1? ? 低功耗設計

無線傳感器網絡的節點數量大、電池小、能量有限，而傳感器網絡覆蓋區域大，如何設計合適的通信機制并實現能源高效利用是無線傳感器網絡設計面臨的難題[7]。

首先終端傳感器的功耗需要降低，在硬件和軟件協同方面系統地研究無線傳感器的低功耗設計策略。在硬件方面主要是對低功耗射頻喚醒機制、動態功率管理和動態電壓調節技術以及射頻器件、微處理器等器件的選擇和電源管理策略等方面進行研究，在軟件方面主要是對低功耗傳感網絡協議、節點級低功耗數據融合算法等方面進行研究。通過軟硬件低功耗設計，實現節點休眠功耗1 μAh，平均功耗低于5 μAh，如果供電電池為500 mAh，則節點壽命可達10年以上，即可滿足大多數工業應用需求。無線測溫傳感器功能框架如圖2所示。

我們針對變電站高壓帶電設備無線溫度傳感器的低功耗設計技術進行了大量研究。由于高壓帶電設備的無線溫度傳感器具有無法隨意更換電池以及電力檢修周期較長等特點，本設計在長壽命一次性電池供電和環境獲取能源技術、超低功耗路由算法、動態心跳占空比等方面進行了深入研究，設計的低功耗傳感節點滿足電力無線傳感器網絡對監測周期的要求和節點功耗最低化的要求。

2.1.1? ? 低功耗射頻喚醒機制研究

傳感器節點主要包括傳感器模塊、無線通信模塊和處理器。處理器和傳感器模塊的功耗由于工藝進步變得很低，無線通信模塊功耗還是很高的，因此需要重點研究通信模塊的節能。本設計提出了一種低功耗喚醒機制，通過采用低功耗的射頻喚醒電路，感知其他節點喚醒請求，從而喚醒通信模塊和MCU來響應其他節點的請求，滿足無線傳感器網絡的低功耗與實時性要求。

2.1.2? ? 動態功率管理和動態電壓調節技術研究

系統的技術指標包括驅動能力、穩定性、處理速度、線性度等，如果是非關鍵指標，可以根據傳感器需求，降低技術指標來減少系統功耗。

[3] 張穎超，吳嘉倫，李俊.基于Zigbee電力電纜接頭遠程溫度監測系統研究[J].電測與儀表，2014（16）：103-107.

[4] 吳江一.變電站設備無線溫度監測系統的研究與應用[D].保定：華北電力大學，2014.

[5] PETAJAJARVI J，MIKHAYLOV K，ROIVAINEN A，et al.On the coverage of LPWANs：range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology[C]// 2015 14th International Conference on ITS Telecommunications （ITST），2015：55-59.

[6] MIKHAYLOV K，PETAEJAEJAERVI J，HAENNINEN T.Analysis of Capacity and Scalability of the LoRa Low Power Wide Area Network Technology[C]// European Wireless 2016， 22th European Wireless Conference，2016：119-124.

[7] COSTA M，FARRELL T，DOYLE L.On energy efficiency and lifetime in low power wide area network for the Internet of Things[C]//2017 IEEE Conference on Standards for Communications and Networking （CSCN）， 2017：258-263.

[8] 張萬生，萬穩戰.數據融合在廠用變電站智能輔助系統管控平臺中的研究與應用[J].電氣技術，2014（2）：48-52.

[9] 陳治國，袁雪蓮，張文杰.基于Chirp信號跳頻調制的超寬帶通信系統設計[J].通信技術，2007，40（9）：15-17.

[10] 孫嘉.Chirp超寬帶通信的調制和時間同步技術研究[D].成都：電子科技大學，2009.

[11] Internet of Things：Privacy and Security in a Conn-ected World[Z].Federal Trade Commission，2015.

[12] LoRaWANTM 1.1 Specification 2[Z].LoRa Alliance，Inc.， 2017.

收稿日期：2020-04-16

作者簡介：楊博（1991—），男，河南新鄭人，碩士，工程師，研究方向：電力物聯網。

金佳奔（1991—），男，江蘇無錫人，工程師，研究方向：變電設備智能運檢。

張煦（1986—），男，湖南隆回人，碩士，工程師，研究方向：電力系統規劃。